海洋石油裝備材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展建議(上)

杜 偉 李鶴林

(中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

0 引 言

21 世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，海洋在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展及維護(hù)國(guó)家主權(quán)的地位更加突出。21 世紀(jì)以來(lái)，世界新增油氣儲(chǔ)量和產(chǎn)量已主要來(lái)自于海洋。預(yù)計(jì)到2015 年末，海洋油氣產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的比例將分別達(dá)到39%和34%。我國(guó)海洋油氣資源儲(chǔ)量巨大，而海上石油資源探明程度約為12.3%(世界平均約為73.0%)，天然氣資源探明程度約為10.9%(世界平均約為60.5%)，探明率遠(yuǎn)低于世界平均水平，因此我國(guó)海洋油氣資源勘探開采潛力巨大。

海洋環(huán)境條件惡劣，沒(méi)有高性能材料作為保障，海洋油氣開發(fā)將受到很大制約。近年來(lái)，我國(guó)海洋石油裝備材料雖已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但與國(guó)際先進(jìn)水平和我國(guó)發(fā)展需求相比，仍然存在諸多差距和不足。首先，對(duì)于海洋石油裝備關(guān)鍵及核心材料，我國(guó)尚不能完全自給。例如海洋自升式平臺(tái)用大厚度(厚度超過(guò)150 mm)齒條鋼，低溫環(huán)境用高強(qiáng)度F 級(jí)平臺(tái)鋼，水下井口和采油樹用超級(jí)雙相不銹鋼、鐵鎳基合金、鎳基合金等，在性能穩(wěn)定性及批量供貨能力等方面還與國(guó)外存在差距。其次，我國(guó)海洋石油裝備材料應(yīng)用研究基礎(chǔ)薄弱，無(wú)法對(duì)材料的合理選用提供技術(shù)支持。主要體現(xiàn)在:1)材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏，如缺乏相關(guān)的材料標(biāo)準(zhǔn)體系;2)材料服役條件(環(huán)境和載荷)研究不足，如材料在海洋環(huán)境下的腐蝕數(shù)據(jù)掌握還不全面，限制了國(guó)產(chǎn)材料在設(shè)計(jì)中的選用。再次，裝備上下游企業(yè)溝通及合作不通暢，造成裝備領(lǐng)域與材料制造環(huán)節(jié)的脫節(jié)，導(dǎo)致材料單位無(wú)法根據(jù)裝備需求研究開發(fā)新產(chǎn)品，裝備企業(yè)舍近求遠(yuǎn)采購(gòu)國(guó)外高價(jià)材料，而對(duì)國(guó)內(nèi)已開發(fā)的成熟材料不聞不問(wèn)。鑒于以上原因，導(dǎo)致我國(guó)海洋石油裝備材料的研發(fā)及應(yīng)用無(wú)法滿足工程需求，已成為制約海洋石油裝備發(fā)展的主要瓶頸。因此，發(fā)展高性能海洋石油裝備材料對(duì)于海洋油氣資源的高效開發(fā)利用有著重要的戰(zhàn)略意義。

1 海洋石油裝備材料的特殊要求

與陸地環(huán)境相比，海洋環(huán)境更為苛刻、復(fù)雜。海洋石油裝備材料在安裝、服役期間會(huì)承受多種載荷的影響，同樣，也會(huì)受到海水或/和油氣介質(zhì)引起的腐蝕，以及可能遇到的低溫或高溫環(huán)境的作用。

海洋石油裝備材料的載荷條件根據(jù)產(chǎn)生原因可分為:建造載荷、功能載荷、環(huán)境載荷以及偶然載荷［1］。建造載荷是系統(tǒng)在建造時(shí)，包括安裝、試壓、試運(yùn)行、維護(hù)和維修產(chǎn)生的載荷。功能載荷是指系統(tǒng)在運(yùn)行期間，本身存在的載荷和由于使用所引起的載荷。環(huán)境載荷即周圍環(huán)境作用于系統(tǒng)上的載荷，其包括風(fēng)載、流體動(dòng)力載荷、波浪和海流載荷、冰載荷、地震載荷等。偶然載荷是指異常和意外情況下施加于管道系統(tǒng)上的載荷。海洋石油裝備材料在建造和服役期間，要充分考慮評(píng)估各種載荷單獨(dú)或復(fù)合作用的影響，確保材料滿足服役要求。

海洋腐蝕是海洋環(huán)境區(qū)別于陸地環(huán)境的主要表現(xiàn)之一。海水鹽濃度高、富氧，并存在著大量海洋微生物和宏生物，加之海浪沖擊和陽(yáng)光照射，海洋腐蝕環(huán)境較為嚴(yán)酷。另外未經(jīng)脫水、脫H2S 和CO2的油氣介質(zhì)是典型的CO2、H2S、Cl-共存環(huán)境，可對(duì)接觸到的材料產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕作用。海洋腐蝕已成為影響海洋裝備設(shè)施服役安全性和使用壽命的重要因素，應(yīng)引起高度重視。按照國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的統(tǒng)計(jì)，腐蝕損失約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的3% -5%。2014 年我國(guó)GDP 總量超過(guò)63 萬(wàn)億，按3%計(jì)算，腐蝕經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)1.89 萬(wàn)億人民幣。其中海洋腐蝕占有很大的比例［2］。主要的海洋腐蝕形式包括均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、腐蝕磨損、海生物(宏生物)污損、微生物腐蝕、H2S/CO2腐蝕等。典型腐蝕現(xiàn)象如圖1 所示。

同時(shí)，海洋環(huán)境的溫度并不是一成不變的，海水溫度隨緯度、季節(jié)和深度不同而發(fā)生變化，油氣介質(zhì)的溫度也隨地質(zhì)條件、開發(fā)階段的變化而有所不同。北極地區(qū)的極限低溫接近-60℃，新采油氣溫度達(dá)到100℃以上。環(huán)境溫度的變化不僅引起材料腐蝕速率的變化，同時(shí)也引起材料性能的改變。低溫環(huán)境可能導(dǎo)致材料的低溫脆斷，高溫環(huán)境對(duì)材料的耐熱性、抗蠕變性能以及高溫穩(wěn)定性提出更高要求。

可見(jiàn)，海洋石油裝備材料承受苛刻的服役條件，包括載荷條件和環(huán)境條件。而多數(shù)情況下，載荷條件和環(huán)境條件并非單獨(dú)起作用，常常共同疊加作用于系統(tǒng)材料，進(jìn)一步加劇服役條件的復(fù)雜性，易導(dǎo)致材料的加速破壞。以深海油氣鉆采為例，螺桿鉆具壽命僅為80 h，鉆鋌壽命僅為200 h ～500 h，震擊器震擊次數(shù)僅為100 次，隨鉆震擊器的工作時(shí)間僅15 d ～30 d，所用材料在強(qiáng)度、耐蝕性等方面暴露的問(wèn)題嚴(yán)重影響了深海油氣鉆采工作的開展;深海立管與采油樹等特殊部位管接頭、臍帶纜、系泊鏈、萬(wàn)向軸等軸類耐蝕承力結(jié)構(gòu)件、各類深海泵體、閥門、固定銷、各類緊固件等均存在強(qiáng)度、腐蝕等方面的問(wèn)題［3］。為此，在海洋石油裝備材料的選用方面，須秉承從服役條件出發(fā)的設(shè)計(jì)理念，使材料滿足最低服役條件要求，以保障海洋石油裝備的安全運(yùn)行。

海洋石油裝備處于復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，安裝和維修不僅價(jià)格昂貴，且操作較為困難。海洋石油裝備一旦發(fā)生失效事故，將造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至可能導(dǎo)致油井報(bào)廢、環(huán)境嚴(yán)重破壞以及人員傷亡等多重后果。1988 年，北海Piper Alpha 平臺(tái)發(fā)生爆炸事故，導(dǎo)致167人死亡，62 人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失近28.7 億英鎊，堪稱目前世界海洋石油工業(yè)史上最嚴(yán)重的一次災(zāi)難性事故［4］。2010 年，英國(guó)BP 公司在美國(guó)墨西哥灣租用的鉆井平臺(tái)“深水地平線”發(fā)生爆炸，導(dǎo)致數(shù)人死亡或失蹤，并造成大量石油泄漏，釀成一場(chǎng)史無(wú)前例的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境慘劇，如圖2 所示。鑒于以上原因，海洋石油裝備必須具備高的安全性、可靠性，這對(duì)海洋石油裝備材料的性能均勻性和質(zhì)量穩(wěn)定性提出了更高要求。

圖2 墨西哥灣平臺(tái)事故［5］

2 海洋石油裝備材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 碳鋼與低合金鋼

在海洋石油裝備材料中涉及的碳鋼和低合金鋼，主要包括平臺(tái)用鋼、鉆機(jī)井架及底座用鋼、管線鋼和立管用鋼等工程結(jié)構(gòu)鋼，以及鉆機(jī)(井架及底座外)、水下井口頭、采油樹、防噴器、管匯等設(shè)備零件用調(diào)質(zhì)鋼、低碳馬氏體鋼、滲碳鋼、滲氮鋼等機(jī)械制造用鋼。

2.1.1 工程結(jié)構(gòu)鋼

1)平臺(tái)用鋼

平臺(tái)用鋼開始于19 世紀(jì)末，初期在淺海水域使用棧橋作為平臺(tái)，采用棧橋用鋼。1947 年，鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺(tái)首次出現(xiàn)于墨西哥灣。此后海洋平臺(tái)得到了迅速發(fā)展?，F(xiàn)有的平臺(tái)用鋼是由船板鋼或壓力容器用鋼移植而來(lái)，主要參考ABS、BV、CCS、DNV、GL、LR、KR、NK、RLNA 等九大船級(jí)社規(guī)范。中國(guó)船級(jí)社(CCS)材料與焊接規(guī)范規(guī)定了一般強(qiáng)度、高強(qiáng)度以及高強(qiáng)度淬火回火鋼等三類強(qiáng)度級(jí)別鋼種，每一強(qiáng)度級(jí)別又按照韌性要求不同，細(xì)分為多個(gè)質(zhì)量級(jí)別(A、B 或F、D、E)。除船級(jí)社規(guī)范外，平臺(tái)用鋼還常采用EN10225、GB/T 712、YB/T 4283、API Spec 2H、API Spec 2W、API Spec 2Y 以及ASTM A514/A517 等標(biāo)準(zhǔn)。目前，平臺(tái)用鋼的最高強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到690MPa，最低沖擊試驗(yàn)溫度為-60℃(F 級(jí))。為保證鋼材性能，對(duì)這類鋼的內(nèi)在質(zhì)量要求較高，既要求鋼中含有較低的有害元素和氣體、夾雜物數(shù)量，又要求鋼材具有良好的表面質(zhì)量。

2)井架與底座用鋼

井架及底座是鉆機(jī)的重要組成部分。井架及底座最早采用A3 或16Mn 工、槽、角鋼，致使井架及底座比較笨重。目前井架及底座用鋼主要選用低合金高強(qiáng)度鋼。這類鋼在GB 1591 -1988 標(biāo)準(zhǔn)中稱為低合金結(jié)構(gòu)鋼，在1994 年標(biāo)準(zhǔn)(GB 1591 -1994)中改稱為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼?，F(xiàn)行的GB/T 1591 標(biāo)準(zhǔn)中包括了Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620 和Q690 等八個(gè)強(qiáng)度級(jí)別。鋼材可以熱軋、控軋、正火、正火軋制或正火加回火、熱機(jī)械軋制(TMCP)或熱機(jī)械軋制加回火狀態(tài)交貨。通過(guò)添加Mn、Si、V、Nb 和Ti 等合金元素，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在提高強(qiáng)度的同時(shí)，保證了良好的塑性和韌性，以及較好的可焊性和冷加工性能。另外，YB/T 4274 中的SM490YB、SM490B、SM400B 等熱軋H 型鋼也被用于制作鉆機(jī)井架及底座。隨著超深水鉆井的開發(fā)，井架及底座用鋼向高強(qiáng)輕量化發(fā)展，Q420、Q460 等高級(jí)別鋼種將大量使用。高強(qiáng)度鋼種的使用，可大幅度減輕結(jié)構(gòu)自重，明顯提高井架及底座的承載能力。

3)管線鋼

管線鋼主要采用API SPEC 5L、ISO 3183 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于海底管道用管線鋼同時(shí)也執(zhí)行DNV -OS -F101 標(biāo)準(zhǔn)。由于早期油氣管道管徑小、壓力低以及冶金技術(shù)的限制，直至20 世紀(jì)40 年代末管道用鋼一直采用C、Mn、Si型的普通碳素鋼，典型化學(xué)成分為:0.1% ～0.25%C，0.40% ～0.7%Mn，0.1% ～0.5%Si，以及S、P 和其他殘存元素。隨著管道工程對(duì)鋼管要求的提高，管線鋼開始采用低合金高強(qiáng)度鋼。與普通碳素鋼一樣，普通低合金高強(qiáng)度鋼主要在熱軋或正火狀態(tài)使用。隨著管道輸送壓力和鋼管管徑的增加，1967 ～1970 年期間API 5LX 和5LS 增加了X56、X60 和X65 鋼級(jí)，從此管線鋼進(jìn)入了微合金化和控軋生產(chǎn)階段。管線鋼成為了國(guó)內(nèi)外微合金化技術(shù)應(yīng)用的典型代表。目前，管線鋼的最高強(qiáng)度級(jí)別為X120。冶金技術(shù)、TMCP 技術(shù)以及超快冷技術(shù)的進(jìn)步，使現(xiàn)代管線鋼具備了優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，見(jiàn)表1，X90、X100 及X120 高鋼級(jí)管線鋼均具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性匹配，其中X120 管線鋼屈服強(qiáng)度超過(guò)840 MPa，-30℃沖擊功大于250 J。管線鋼生產(chǎn)幾乎應(yīng)用了冶金領(lǐng)域近20 多年來(lái)的主要新工藝、新技術(shù)和新設(shè)備，TMCP 工藝生產(chǎn)的管線鋼及鋼管在海洋石油裝備中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

表1 典型高強(qiáng)度管線鋼管的力學(xué)性能［6］

目前，國(guó)外海底管道中應(yīng)用的最高級(jí)別管線鋼為X70，鋼管壁厚最大為41.0 mm。我國(guó)海底管道建設(shè)中普遍應(yīng)用的是X65 管線鋼，鋼管最大壁厚為31. 8 mm。2012 年完工的南?！鬄齿敋夤艿拦こ添?xiàng)目代表了國(guó)內(nèi)海底管道建設(shè)的最高水平，開創(chuàng)了我國(guó)1 500 mm 作業(yè)水深的管道工程記錄。為適應(yīng)海底管道的安裝要求和服役環(huán)境，與陸地管線鋼相比，海底管線鋼的合金設(shè)計(jì)更為嚴(yán)格，其特點(diǎn)為:(1)低的碳含量;(2)低的碳當(dāng)量;(3)低的S、P 含量。另外，海底管線鋼在性能和其他方面的主要特征還包括:(1)高的形變強(qiáng)化指數(shù)和均勻伸長(zhǎng)率;(2)低的屈強(qiáng)比;(3)優(yōu)良的縱向拉伸性能;(4)低的鑄坯中心偏析，良好的厚度方向的均勻性，低的斷口分離和層狀撕裂的幾率;(5)嚴(yán)格的尺寸偏差和精度控制;(6)良好的焊接性。

管線鋼除主要用于陸地和海底油氣輸送管道外，也是當(dāng)前隔水管的主流材質(zhì)，主要采用X65 -X80 鋼級(jí)，其特點(diǎn)是剛性好，抗海流、海浪等外載能力強(qiáng)。隔水管主管性能要求主要參考API Spec 5L《管線管規(guī)范》、DNVOS-F101《海底管線系統(tǒng)》、DNV - OS - F201《動(dòng)態(tài)立管》、API Spec 16F《海洋鉆井隔水管設(shè)備規(guī)范》、API RP 16Q《海洋鉆井隔水管系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選擇、操作和維護(hù)的推薦做法》、ISO 13628 -7/API RP 17G《石油和天然氣工業(yè)水下才有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與操作 第7 部分 完井修井隔水管系統(tǒng)》等標(biāo)準(zhǔn)。為了抵御超深水域惡劣的環(huán)境載荷，隔水管通常采用具有較高疲勞特性的鋼，現(xiàn)行一般選用X80 鋼級(jí)直縫埋弧焊管，并且正在向更高強(qiáng)度級(jí)別的X100 和X120 鋼級(jí)發(fā)展。根據(jù)API 5L 和DNV - OS -F101，深海鉆井隔水管的主要材料API 5L X80 鋼管需滿足以下性能指標(biāo):最小屈服強(qiáng)度555 MPa;最大屈服強(qiáng)度705 MPa;最小抗拉強(qiáng)度625 MPa;最大抗拉強(qiáng)度825 MPa;屈強(qiáng)比最大值0. 93;延伸率最小值21%;0℃下CTOD 最小值0.20 mm。

鋼懸鏈線立管(SCR)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，適用水深較大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于深水和超深水的海洋油氣開發(fā)中。與鉆井隔水管相同，SCR 也主要采用API 管線鋼，包括X52、X60、X65 以及X70 等級(jí)別，主要采用無(wú)縫管和直縫埋弧焊管。

2.1.2 機(jī)械制造用鋼

1)調(diào)質(zhì)鋼

在海洋石油鉆采裝備中眾多零部件均采用了調(diào)質(zhì)鋼。例如:在海洋鉆機(jī)中，天車軸、井架軸、絞車軸、變速箱軸、水龍頭中心管、頂驅(qū)螺栓等用40CrNiMoA，泥漿泵液缸用30CrNi2MoVA，井架滑輪軸、頂驅(qū)懸掛套用45CrNiMoVA，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)銷用42CrMoA 等均屬于調(diào)質(zhì)鋼。國(guó)內(nèi)鉆機(jī)用鋼最初主要仿制前蘇聯(lián)材料，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，目前已形成相對(duì)完整的國(guó)產(chǎn)鉆機(jī)用鋼體系。我國(guó)新研制的海洋鉆機(jī)也基本采用了國(guó)內(nèi)牌號(hào)。而深水油氣鉆采用防噴器、井口頭、采油樹和閥門等裝備，因其結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)復(fù)雜，生產(chǎn)技術(shù)難度很大，其生產(chǎn)技術(shù)被美國(guó)少數(shù)幾家公司壟斷。因此，這些產(chǎn)品主要執(zhí)行美國(guó)材料標(biāo)準(zhǔn)，常用的調(diào)質(zhì)鋼牌號(hào)包括AISI 4130、AISI 4140、AISI 4330、AISI 4340、AISI 8630、AISI F22(UNS K21590)或AISI F22V(UNS K31835)等。水下鉆采裝備用典型調(diào)質(zhì)鋼的主要化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2 水下鉆采裝備用典型調(diào)質(zhì)鋼的化學(xué)成分(wt%)

除上述鍛鋼件外，鑄鋼如ZG35CrMoA、ZG230 -450、ZG40CrNiMoA、ZG27CrNi2MoA 等也常通過(guò)調(diào)質(zhì)處理，以保證材料具有良好的力學(xué)性能。ZG35CrMoA 主要用作絞車輪轂、頂驅(qū)支座、底座滑輪等;ZG230 -450 主要用作絞車軸承座;ZG40CrNiMoA 主要用作泥漿泵十字頭;ZG27CrNi2MoA 主要用于頂驅(qū)的上蓋、殼體等。

2)低碳馬氏體鋼

低碳合金鋼經(jīng)淬火+低溫回火獲得強(qiáng)韌性好的低碳馬氏體，其代替中碳合金調(diào)質(zhì)鋼，可提高零件的承載能力，減輕產(chǎn)品自重。典型案例為20 世紀(jì)60 年代寶雞石油機(jī)械廠與大冶鋼廠和西安交通大學(xué)合作，研發(fā)了20SiMn2MoVA 代替35CrMo 制造吊環(huán)、吊卡，大幅度降低了產(chǎn)品自重，顯著提高了零件壽命［7］。當(dāng)時(shí)，國(guó)產(chǎn)舊吊環(huán)、吊卡根據(jù)蘇聯(lián)圖紙要求，采用35 鋼正火或35CrMo 鋼調(diào)質(zhì)制造，材料強(qiáng)度水平很低，致使吊環(huán)、吊卡極為笨重，鉆井工人勞動(dòng)強(qiáng)度很大。寶雞石油機(jī)械廠采用20SiMn2MoVA 鋼生產(chǎn)吊環(huán)和吊卡，吊環(huán)自重僅為蘇聯(lián)產(chǎn)品的二分之一到三分之一，而且比美國(guó)吊環(huán)也輕得多，其疲勞壽命是美國(guó)BJ 公司同類產(chǎn)品的1.5 倍。吊卡的自重也只有仿蘇產(chǎn)品的二分之一。新型吊環(huán)、吊卡與老式吊環(huán)、吊卡的外形尺寸對(duì)比如圖3 所示。寶雞石油機(jī)械廠用20SiMn2MoVA(淬火低溫回火)代替PCrNi3Mo(淬火中溫回火)，使射孔器的壽命成倍提高，并且節(jié)約材料費(fèi)30%。

圖3 吊環(huán)、吊卡對(duì)比

3)滲碳鋼和氮化鋼

不少機(jī)械零件要求表面有高的疲勞強(qiáng)度和耐磨性，這就需要進(jìn)行表面化學(xué)熱處理。滲碳鋼和氮化鋼是為適用于滲碳熱處理和氮化熱處理的需要而發(fā)展起來(lái)的鋼種。滲碳、滲氮、碳氮共滲可提高硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，滲硼、滲鉻可提高耐磨和耐腐蝕性。在海洋石油鉆采裝備零件中最常用的是滲碳、滲氮和碳氮共滲。

海洋石油鉆采裝備零件涉及的滲碳鋼包括頂驅(qū)齒輪和齒輪軸用20Cr2Ni4E、傳動(dòng)裝置齒輪用20CrMnTi鋼、泥漿泵閥體和閥座用20CrMnMo 鋼等;典型的氮化鋼包括變速箱錐齒輪用42CrMoA、轉(zhuǎn)盤軸用40CrNiMoA、變速箱齒輪用35CrMoA 等;碳氮共滲鋼包括頂驅(qū)牙板、滾輪用20CrMnTi，防噴器卡瓦用20CrMnTi 等。

2.2 低溫用鋼

通常將各種液化石油氣、液氨、液氧、液氮等生產(chǎn)、儲(chǔ)存容器和低溫環(huán)境服役的輸送管道及管件，稱為低溫容器，制造低溫容器所用的鋼以及在低溫環(huán)境服役的其他裝備用鋼統(tǒng)稱為低溫鋼。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)低溫用鋼的溫度界限還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)定。根據(jù)GB150《固定式壓力容器》，我國(guó)低溫壓力容器定義為-20℃以下溫度服役的容器。

目前，低溫鋼大致可分為四類:低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼、低溫高強(qiáng)度鋼、鎳系低溫鋼和奧氏體不銹鋼，常用低溫鋼的類型和使用溫度范圍見(jiàn)表3。

海洋石油裝備中主要的低溫鋼有低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼、低溫高強(qiáng)度鋼和鎳系低溫鋼，主要應(yīng)用于海底低溫環(huán)境、極地或冬季嚴(yán)寒海域、LNG 船儲(chǔ)罐系統(tǒng)等。在水深超過(guò)1 000 m的海底，溫度常年維持在0℃附近，要求裝備材料須具有良好的低溫韌性。另外，在北極和冬季寒冷海區(qū)服役溫度極低，尤其是北極海區(qū)最冷月平均氣溫達(dá)到-40℃，此環(huán)境下使用的平臺(tái)構(gòu)件、管系、閥門等裝備需采用E 級(jí)(滿足-40℃沖擊要求)甚至是F 級(jí)別(滿足-60℃沖擊要求)的鋼材。LNG(液化天然氣)液化溫度低達(dá)-163℃左右，LNG 船儲(chǔ)罐材料一般采用9% Ni 鋼。9%Ni 鋼低溫下具有良好的強(qiáng)韌性，且合金含量少、價(jià)格便宜，已逐步取代Ni-Cr 不銹鋼，成為-196℃級(jí)低溫設(shè)備和容器的最重要的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于LNG 儲(chǔ)罐。

表3 常見(jiàn)低溫鋼的類型和使用溫度范圍

1)低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼 這類鋼是以碳-錳為主要元素的低溫鋼。為提高低溫韌性，通過(guò)降低鋼中的碳含量，提高M(jìn)n/C 比，降低P、S 等有害元素，加入適量鋁以固定鋼中的氮，細(xì)化晶粒，提高鋼的低溫韌性，改善時(shí)效性能。美國(guó)的ASTM A202、日本的SLA A235 也屬于此類鋼。

2)低溫高強(qiáng)度鋼 這類鋼以碳-錳為基，加入少量的鎳鉻提高鋼的低溫韌性，加入少量鉬、鈮提高鋼的強(qiáng)度，盡量減少鋼中的碳含量，以提高鋼的韌性，改善焊接性能，通過(guò)調(diào)質(zhì)處理獲得良好的綜合性能。它不但具有高強(qiáng)度，而且具有較好的低溫韌性，因此它是一種強(qiáng)韌性兼?zhèn)涞牟牧希瑥V泛用于制造具有較大壓力的低溫壓力容器。我國(guó)在1985 ～1990 年研制的DG50(0. 09% ～0.15%C、1.00% ～1.4%Mn、≤0.60%Ni、≤0.30%Cr、≤0.30% Mo、≤0. 06% V，σs≥490 MPa、σb:610 ～755 MPa，-46℃時(shí)CVN≥47 J)、日本的N -TUF50 和RIVERACE60L 屬此類鋼。

3)鎳系低溫鋼 這類鋼是以鎳為主要合金元素的低溫用鋼。1932 年，美國(guó)發(fā)明了可在-46℃低溫下使用的2.5%Ni 鋼，隨后相繼開發(fā)了3.5%Ni、5%Ni、9%Ni等鎳系低溫鋼。根據(jù)不同的使用溫度確定了不同的鎳含量，形成了2.5%Ni、3.5%Ni、5%Ni、9%Ni 等鎳系低溫鋼。隨著鋼中鎳含量的增加，鋼的低溫韌性提高，韌脆轉(zhuǎn)變溫度降低，它主要用于制造-40℃～-196℃下使用的低溫設(shè)備。鎳系低溫鋼的化學(xué)成分和主要力學(xué)性能要求見(jiàn)表4、5。

表4 鎳系低溫鋼的化學(xué)成分要求(wt%)

表5 鎳系低溫鋼的力學(xué)性能要求

2.3 不銹鋼

我國(guó)不銹鋼的牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 20878，海洋石油裝備中主要采用馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。

海洋石油裝備常用的幾種典型不銹鋼的牌號(hào)及化學(xué)成分見(jiàn)表6，與其他國(guó)家或組織不銹鋼牌號(hào)的對(duì)照見(jiàn)表7。

表6 海洋石油裝備典型不銹鋼的典型牌號(hào)及化學(xué)成分

1)馬氏體不銹鋼 基體為馬氏體組織，有磁性，通過(guò)熱處理可調(diào)整其力學(xué)性能的不銹鋼。此類鋼碳含量為0.1% ～1.0%，鉻含量為12% ～18%，淬透性好，空冷可得到馬氏體。在氧化性介質(zhì)(如大氣、水蒸氣、海水、氧化性酸)中有較好的耐蝕性，而在非氧化性介質(zhì)(如鹽酸、堿溶液等)中耐蝕性很低。海洋石油裝備常用的馬氏體不銹鋼是410、410SS，在CO2腐蝕環(huán)境下具有良好的抗腐蝕能力。F6NM 與410、410SS 相比，具有更高的抗腐蝕能力，鉬含量的增加改善了抗點(diǎn)蝕能力。

2)奧氏體不銹鋼 基體以面心立方晶體結(jié)構(gòu)的奧氏體組織為主，無(wú)磁性，主要通過(guò)冷加工使其強(qiáng)化的不銹鋼。奧氏體不銹鋼含有較低的碳(＜0.12%)，含有較高的鉻(17% ～25%)和較高的鎳(8% ～29%)，由于鎳的加入，擴(kuò)大了奧氏體區(qū)域，使鋼在室溫下得到單相奧氏體組織，而Cr 提高使鋼的耐蝕性比馬氏體不銹鋼更佳。奧氏體不銹鋼不僅具有高的耐蝕性，還有高的塑性、低溫韌性、加工硬化能力與良好的焊接性能。此類鋼的典型鋼種為18 - 8 型奧氏體，如0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti 等。海洋石油裝備常用的奧氏體不銹鋼是304(0Cr18Ni9)和316L(00Cr17Ni14Mo2)。

3)奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼 是在奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上，調(diào)整Cr、Ni 含量，并適當(dāng)加入Mn、Mo、W、Cu、N 等元素而形成雙相組織(其中較少相的含量一般大于15%)，兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特性。這類鋼具有較好的耐蝕性，還有較高的抗應(yīng)力腐蝕能力、抗晶間腐蝕能力及良好的焊接性能。與鐵素體不銹鋼相比，它的韌性高、韌脆轉(zhuǎn)變溫度低、耐晶間腐蝕和焊接性能顯著提高。與奧氏體不銹鋼相比，其強(qiáng)度水平高，此外耐晶間腐蝕、耐應(yīng)力腐蝕、耐腐蝕疲勞性能顯著提高。海洋石油裝備常用的雙相不銹鋼有2205 和2507，用于CO2腐蝕環(huán)境，同時(shí)還有高含量Cl-和/或少量H2S。

表7 不同國(guó)家或組織不銹鋼的牌號(hào)對(duì)照表

4)沉淀硬化型不銹鋼 是在18 -8 型奧氏體不銹鋼基礎(chǔ)上降低了鎳的含量，并加入適量Al、Cu、Mo、P 元素，以便在熱處理過(guò)程中析出金屬間化合物，實(shí)現(xiàn)沉淀硬化。這類鋼的基體為奧氏體或馬氏體組織，可區(qū)分為馬氏體、半奧氏體和奧氏體沉淀硬化不銹鋼3 種主要類型。在沉淀硬化不銹鋼中，主要沉淀硬化相包括富銅相-ε相，具有CsCl 結(jié)構(gòu)的NiAl 金屬間化合物、M23C6、χ 相、Laves 相、γ‘等，時(shí)效相的類型與存在與否和合金成分、熱處理?xiàng)l件等相關(guān)。此類鋼具有高強(qiáng)度、足夠的韌性和適宜的耐蝕性，主要用作高強(qiáng)度、高硬度而又耐腐蝕的零件。海洋石油裝備常用的沉淀硬化型不銹鋼是17 -4 PH，具有高的強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕性能。經(jīng)固溶和時(shí)效后屈服強(qiáng)度大于724 MPa，能滿足API 規(guī)范-60℃低溫沖擊要求，耐蝕性能達(dá)到304 不銹鋼的水平。

在海洋石油裝備中，馬氏體不銹鋼和雙相不銹鋼可用于水下井口、采油樹、閥門等與井下高腐蝕性流體接觸的承壓件;奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼可用于運(yùn)送含一定腐蝕介質(zhì)的管線和泵閥等;沉淀硬化不銹鋼一般用于制造耐腐蝕性要求高，同時(shí)又要求高強(qiáng)度的零部件，如水下采油樹閥桿、間隔套、圓柱銷等。具體不銹鋼的選材需根據(jù)井下流體H2S/CO2分壓和Cl-含量確定。